Search for Cosmic-ray Boosted Sub-GeV Dark Matter using Recoil Protons at Super-Kamiokande
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Résumé
We report a search for cosmic-ray boosted dark matter with protons using the 0.37 megaton$\times$years data collected at Super-Kamiokande experiment during the 1996-2018 period (SKI-IV phase). We searched for an excess of proton recoils above the atmospheric neutrino background from the vicinity of the Galactic Center. No such excess is observed, and limits are calculated for two reference models of dark matter with either a constant interaction cross-section or through a scalar mediator. This is the first experimental search for boosted dark matter with hadrons using directional information. The results present the most stringent limits on cosmic-ray boosted dark matter and exclude the dark matter-nucleon elastic scattering cross-section between $10^{-33}\text{ cm}^{-2}$ and $10^{-27}\text{ cm}^{-2}$ for dark matter mass from 10 MeV/$c^2$ to 1 GeV/$c^2$.
Mots clés
p: recoil
dark matter: mass
neutrino: atmosphere
dark matter: interaction
dark matter: elastic scattering
cross section: elastic scattering
cross section: upper limit
mass dependence
neutrino: background
dark matter: direct detection
boosted particle
cosmic radiation
KAMIOKANDE
mediation
galaxy
experimental results